1、第5章 CMOS集成電路的版圖設(shè)計,主要內(nèi)容 5.1 MOS 場效應(yīng)管的版圖實現(xiàn) 5.2 版圖設(shè)計規(guī)則 5.3 版圖系統(tǒng)的設(shè)置 5.4 版圖的建立 5.5 版圖的編輯 5.6 棍棒圖 5.7 版圖設(shè)計方法概述,5.1 MOS 場效應(yīng)管的版圖實現(xiàn) 5.1.1 單個MOS管的版圖實現(xiàn) 1. MOS管的結(jié)構(gòu)和布局 MOS管的四種布局圖, 直線形排列的NMOS管,結(jié)構(gòu)圖,立體結(jié)構(gòu)和俯視圖, 源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)合稱為MOS管的有源區(qū)(Active），而有源區(qū)之外的區(qū)域定義為場區(qū)（Fox)。有源區(qū)和場區(qū)之和就是整個芯片表面。 Fox + Active = Surface,芯片表面包含有源區(qū)和場區(qū)兩部分,

2、N阱CMOS集成電路使用P型襯底，NMOS管直接制作在P型襯底上，PMOS管做在N阱內(nèi)。, 完整的MOS管版版圖必須包含兩個部分：a）由源、柵和漏組成的器件；b）襯底連接。,(a)PMOS管,(b)NMOS管,完整的MOS管版圖圖形,5.1.2 MOS管陣列的版圖實現(xiàn) 1.MOS管串聯(lián) (1) 兩個MOS管的串聯(lián)。 N1的源、漏區(qū)為X和Y，N0的源、漏區(qū)為Y和Z。Y是它們的公共區(qū)域，如果把公共區(qū)域合并,得到圖5.7(d)所示的兩個MOS管串聯(lián)連接的版圖。 從電流的方向可以決定，當(dāng)MOS管串聯(lián)時，它們的電極按S-D-S-D-S-D方式連接。,(a) 電路圖,(b) N1版圖 (c) N0版圖 (

3、d) N1和N0串聯(lián)版圖,(2) 任意個MOS管串聯(lián)。例如3個MOS管串聯(lián)的版圖。,(a)電路圖,(b) 版圖,2.MOS管并聯(lián)(并聯(lián)是指它們的源和源連接，漏和漏連接，各自的柵還是獨立的。) (1)柵極水平放置，節(jié)點X和Y可用金屬連線連接(圖b)；也可用有源區(qū)連接(圖c）。,(a)電路圖,(b)用金屬連接節(jié)點,(c) 用有源區(qū)連接節(jié)點,(2)柵極豎直方向排列，節(jié)點連接既可用金屬導(dǎo)線(圖b)，也可用有源區(qū)進行連接(圖c）。,(a)電路圖,(b)用金屬連接節(jié)點,(c) 用有源區(qū)連接節(jié)點,(3)三個或三個以上MOS管并聯(lián)。 全部用金屬進行源的連接和漏的連接(圖a）,稱為叉指形結(jié)構(gòu); 分別用金屬和有源

4、區(qū)進行源和漏的并聯(lián)連接; 金屬連接和有源區(qū)連接聯(lián)合使用(圖b）。,(a)源和漏的并聯(lián)都用金屬連接（叉指型）,(b)分別用有源區(qū)和金屬進行并聯(lián)連接,3.MOS管的復(fù)聯(lián) 復(fù)聯(lián)是MOS管先串后并和先并后串的連接。,(a) 電路圖,(b) 版圖,5.2 版圖設(shè)計規(guī)則 設(shè)計規(guī)則是由幾何限制條件和電學(xué)限制條件共同確定的版圖設(shè)計的幾何規(guī)定，這些規(guī)定是以掩膜版各層幾何圖形的寬度、間距及重疊量等最小容許值的形式出現(xiàn)的。 版圖設(shè)計規(guī)則一般都包含以下四種規(guī)則： (1) 最小寬度 例如，金屬、多晶、有源區(qū)或阱都必須保持最小寬度。,(2)最小間距 例如，金屬、多晶、有源區(qū)或阱都必須保持最小間距。 (3)最小包圍 例如，

5、N阱、N+離子注入和P+離子注入包圍有源區(qū)應(yīng)該有足夠的余量;多晶硅、有源區(qū)和金屬對接觸孔四周要保持一定的覆蓋。,(4)最小延伸 例如，多晶柵極須延伸到有源區(qū)外一定長度。,5.3 版圖系統(tǒng)的設(shè)置 5.3.1建立版圖庫 1. 建立新庫步驟 (1) 從CIW進入庫管理器，選命令ToolsLibrary Manager。,進入庫管理器,(2) 在庫管理器中選命令FileNewLibrary，出現(xiàn)新庫對話框。,選建立新庫命令,新庫對話框,(3) 在Name 文本區(qū)輸入新庫名(例如mylib)。點擊OK按鈕，出現(xiàn)新庫技術(shù)文件對話框，新庫mylib的技術(shù)文件有三種選項。,對新庫的技術(shù)文件有三個選項,(4)

6、方法1：選“compile a new techfile”，點擊OK按鈕，出現(xiàn)Load Technology File對話框。在框中ASCII Technology File的文本區(qū)輸入技術(shù)文件名(如csmc.tf)，按OK按鈕結(jié)束，出現(xiàn)對話框報告加載技術(shù)文件成功，新庫已建立。,在ASCII Technology File區(qū)輸入技術(shù)文件名,報告技術(shù)文件加載成功,(5) 方法2：選“Attach to an existing techfile”,出現(xiàn)Attach Design Library to Technology File對話框。在Technology Library文本區(qū)下拉菜單中選擇技

7、術(shù)庫，例如csmc15tech,按OK按鈕即完成建庫。 若新庫名為abcd,建庫完成后在CIW中顯示： Design Libraryabcdsuccessfully attached to technology Library csms15tech 新庫abcd已成功建立。,從庫管理器建立新庫的另一種方法,(6) 建立新文件:在庫管理器,選命令FileNewCell view。在Create New File框內(nèi)輸入庫名和單元名(inv)后，先將tool選為virtuoso，在View Name的文本區(qū)會自動生成Layout，點擊Ok按鈕，將同時出現(xiàn)版圖編輯窗（virtuoso Layout

8、Editing）和層選擇窗（LSW：Layer Select window）。,建立新文件,同時出現(xiàn)版圖編輯窗和層選擇窗(LSW),5.3.2 層選擇窗(LSW)的設(shè)置 1. 對LSW的說明,層選擇窗 (LSW ),Current drawing or entry layer,Edit menu,Technology file,Inst button,Pin button,AV and NV buttons,AS and NS buttons,Scroll bar,Layers,1) Edit（編輯）是個下拉式命令菜單，有六個子菜單,2) 層符號分三部分， 左表示層的顏色及圖案； 中為層名；

9、右表示層的用途。,層的顏色及圖案,層名,層的用途,3) Inst設(shè)置Instance為可選或不可選。 4) Pin設(shè)置布線工具。 5)Technology file技術(shù)文件名。 6) AV和NV按鈕 AV設(shè)置各層都可視（圖a)； 除輸入層外，NV設(shè)置其余各層不可視(層符號變灰)（圖b）； 擊鼠標(biāo)中鍵使各層在可視和不可視間轉(zhuǎn)換（圖c）； 層原為可視，點擊中鍵變?yōu)椴豢梢?，再點擊又恢復(fù)可視（圖d)； 鼠標(biāo)左鍵點擊原不可視的層就變?yōu)榭梢暎页蔀檩斎雽樱▓De）。,(a),(e),(d),(c),(b),7) AS和NS設(shè)置各層的選擇性(后面介紹)。,2. 對LSW的設(shè)置 (1) 設(shè)置層符號。 在LSW中

10、，選擇EditSet Valid LayersSet Valid Layer對話框。,Set Valid Layer對話框, 點擊層符號右邊的選擇開關(guān)，開關(guān)變黑，本層被選。 點擊Apply按鈕，層符號出現(xiàn)在LSW中。 點擊LSW的EditSave，Save對話框。, 按Ok存盤。,(2) 設(shè)置層符號的顏色和圖案 在LSW中，選EditDisplay Resource Editor，“Display Resource Editor”對話框。,Display Resource Editor對話框, 設(shè)置層的填充類型（Fill sytle）、填充顏色（Fill color）、外框顏色（Outline

11、 Color）、點畫（Stipple）和線型（line sytle）。 按Apply按鈕。 選FileSave，“Save Display Resource File”框。 在Files區(qū)點擊左鍵，/root/display.drf, 左鍵點擊，使它進入Selection的文本框，點擊Ok關(guān)閉。 對話框報告root/display.drf文件已經(jīng)存在，按Yes鍵。,建立顯示文件,按Yes鍵得到新的顯示文件,5.3.3 版圖編輯窗的設(shè)置,版圖編輯窗,1. 圖標(biāo)欄（Icon Menu),圖標(biāo)欄包含的命令,2. 狀態(tài)欄（Status Banner) 位于版圖編輯窗的第二行。 3. 菜單欄（Menu

12、Banner) 位于版圖編輯窗第三行。 4. 啟動命令和取消命令的方法 (1) 啟動命令 從版圖窗的菜單欄選命令。 點擊版圖窗的圖標(biāo)。 用快捷鍵。 (2) 取消命令 按Esc鍵。 點擊對話框中的Cancel。 (3) 命令的對話框 有兩種對話框： 1) 標(biāo)準(zhǔn)框。啟動命令時自動出現(xiàn)。,2) 選項框。,3) 顯示對話框的方法： 若菜單命令后有三點，標(biāo)準(zhǔn)框會自動出現(xiàn)； 使用命令時雙擊中鍵或按F3鍵。,Move的選項對話框,5.3.4 使用Option菜單進行版圖編輯窗設(shè)置 1. 顯示命令 選命令OptionDisplaye，“Display Options”對話框 。 (1) Display Con

13、trols,Display Options 對話框,(2) Grid Controls 4個參數(shù)的缺省設(shè)置為1、5、0.5和0.5。對于1m或者亞微米的設(shè)計規(guī)則，可設(shè)置為0.1、0.5、0.01和0.01。,(3) Snap Modes 在下拉菜單中包含了各種選項。,Creat的模式,Edit的模式,2. 編輯器選項 選命令Optionlayout EditorE,“l(fā)ayout Editor Options”對話框 。可以設(shè)置Gravity Controls（引力控制）、Conic sides（圓環(huán)邊數(shù))等。,layout Editor Options 對話框,5.4 版圖的建立 5.4.1

14、設(shè)置輸入層 (1) 鼠標(biāo)左鍵單擊LSW的層符號即為輸入層。 (2) 使用命令Edit Layout Tapt。光標(biāo)點擊目標(biāo)圖形，目標(biāo)圖形所在層就變?yōu)檩斎雽印?5.4.2屏幕顯示畫圖區(qū) 剛打開的版圖窗，坐標(biāo)原點在屏幕中央。,（1）選命令windowPanTab，版圖窗和CIW都顯示： Point at center of the desired display：（希望顯示的中點） 用鼠標(biāo)左鍵點擊屏幕右上角某一點，該點立即移到屏幕中心，第一象限成為畫圖區(qū)。 （2）用鍵盤上方向鍵實現(xiàn)坐標(biāo)軸移動。,5.4.3建立幾何圖形 1. 矩形（Rectangle） 1）建立矩形命令：CreateRectangl

15、e。 2）選輸入層。 3）畫矩形。,(a) 點擊左鍵 (b) 移動鼠標(biāo) (c) 點擊左鍵建立矩形 (d) 完成的矩形,4）按Esc鍵停止畫矩形命令。 2. 多邊形（polygon） （1）方法1 建立多邊形命令：Createpolygon。 選輸入層。 畫多邊形。,(a) 點擊第一點 (b) 繼續(xù)點擊 (c) 雙擊或按Enter鍵使多邊形封閉 (d) 完成的多邊形,（2）方法2,（a）矩形拼接或重疊形成多邊形 （b）合并后的多邊形,(3）加圓弧 命令Createpolygon把多邊形某一邊畫成圓弧。 雙擊鼠標(biāo)中鍵或按F3鍵，出reate Polygon選項框。 在框中點擊Create Arc按

16、鈕。 在多邊形中畫圓弧。,(a) 點擊起點 (b) 點擊終點 (c) 移動光標(biāo)可看到圓弧 (d) 點擊建立圓弧,(3) 等寬線 (path) 建立等寬線命令Createpath。 在LSW中點擊輸入層。 雙擊鼠標(biāo)中鍵或按F3鍵Create path 對話框。,Create path 對話框, 設(shè)置線寬度。 畫等寬線。,(a) 每次點擊建立另一段，終占雙擊 (b) 完成的等寬線,4. 圓錐曲線 （1）圓（circle) 命令：Createconicscircle,(a) 點擊圓心 (b) 移動鼠標(biāo) (c) 在圓周上點擊畫圓 (d) 完成的圓,（2）橢圓（Ellipse）命令：Createconi

17、csEllipse,(a) 點擊邊框第一角頂點 (b) 移動鼠標(biāo) (c) 點擊邊框?qū)琼旤c (d) 完成的橢圓,（3）圓環(huán)（Donut）命令：CreateconicsDonut,(a) 點擊圓心 (b) 點擊內(nèi)圓周 (c) 點擊外圓周 (d) 完成的圓環(huán),5. 復(fù)制(Copy)命令：Editcopy，或者選取Copy圖標(biāo)。,6. 其它命令 (1）合并命令EditMergeM 選中圖形（圖形高亮度），執(zhí)行合并命令。,(2)切割命令 EditOtherChopC 例題：設(shè)計CMOS反相器版圖（用1.5m設(shè)計規(guī)則） 畫版圖步驟： 畫P管有源區(qū)，如圖(a）。 畫多晶硅柵極：用矩形；用等寬線(path)

18、 。 格點設(shè)置為每格0.5m。,(a) 有源區(qū)矩形 (b) 用矩形畫多晶柵極 (c) 用等寬線畫多晶柵極,畫P管有源區(qū)和多晶柵極,(3) 畫源和漏區(qū)的接觸孔。 在源區(qū)畫一個1.5m1.5m接觸孔，孔至多晶柵距離為1.5m，如圖(a)。 拷貝其余的接觸孔（圖(b)）。 將源區(qū)3個接觸孔一次全部拷貝到漏區(qū)，漏區(qū)接觸孔至多晶柵間距為1.5m。,(a) 先畫一個尺寸和位置都正確的孔 (b) 拷貝生成其它的孔,畫接觸孔, MOS管寬度(W)和長度(L)的決定：在1.5m設(shè)計規(guī)則中，若已知W/L比值，則W=(W/L)1.5m。畫一個接觸孔時有源區(qū)的寬度3.1m，畫二個接觸孔時寬度6.1m，；有源區(qū)矩形的最

19、小長度L9.1m。 當(dāng)有源區(qū)寬度3.1m（為2m）時，溝道區(qū)寬度不變，增大源區(qū)和漏區(qū)寬度3.1m能畫一個接觸孔。,小寬長比MOS管的畫法,有源區(qū)覆蓋接觸孔0.8m，按Ctrl+z鍵將圖形放大，使格點間距顯示為0.1m，容易畫0.8m的覆蓋。,(4) 在有源區(qū)外畫P+注入矩形，最小包圍為1m。 (5) 畫N阱，它對有源區(qū)的最小包圍為2m。完成的P管如圖(a)。,(6) 用拷貝方法畫N管：畫選擇框把P管的P+注入、有源區(qū)和接觸孔圖形都選中，豎直下拉至合適位置（有源區(qū)與N阱相距8.5m）。 修改： 選N管的W=6.1m，在它的源漏區(qū)分別去除一個接觸孔： 向上移動有源區(qū)和P+注入層矩形的下邊，使有源區(qū)

20、覆蓋接觸孔0.8m； 把P+注入層改為N+注入； 多晶柵極向下延伸至N管有源區(qū)外至少0.8m。,(a) 畫P+注入和N阱 (b) 拷貝生成NMOS管 (c) 對拷貝圖形作修改,畫CMOS反相器過程,(7) 連線。用Metal1層連接P管和N管的漏極作為反相器的輸出，且用Metal1畫電源線，如圖(a)。 (8) 畫一條Metal1線將P管源區(qū)的接觸孔和電源線連接，如圖(b)。 (9) 將電源金屬線拷貝到N管下方作為地線，再畫一根豎直的金屬線將N管源區(qū)的接觸孔和金屬地線連接，如圖(c)。 (10) 畫襯底接觸： 拷貝幾個接觸孔并旋轉(zhuǎn)90，放到電源金屬線下。 畫有源區(qū)矩形將上述接觸孔包圍。 在有源

21、區(qū)外畫N+注入框。 把N阱的上邊拉到這個接觸區(qū)上方，使N阱包圍N+有源區(qū)(圖(d)。 (11) P型襯底和地線的接觸： 將N阱接觸的N+注入、有源區(qū)和接觸孔拷貝到地線金屬層圖形下。 把拷貝的N+注入層改為P+注入層，如圖(e)。 (12)加一段多晶和多晶柵極連接，作為反相器的輸入；加一段金屬和輸出金屬線連接，作為反相器的輸出導(dǎo)線，如圖(f)。 (13）將線名標(biāo)注到圖中，并且把各層圖形中由矩形組成的多邊形進行合并。 完成后如圖(g)。,(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g),畫CMOS反相器過程（續(xù)）,5.5 版圖的編輯 5.5.1 設(shè)置層的可視性 1. 顯示一層 有二種方法:

22、1) 顯示層設(shè)置為輸入層， 鼠標(biāo)點擊LSW上NV按鈕，選命令windowRedrawr。 2) 按shift鍵，鼠標(biāo)中鍵點擊LSW中的顯示層，選命令windowRedrawr。 2. 增加顯示層 鼠標(biāo)左鍵點擊LSW中增加的顯示層，按快捷鍵r。 連續(xù)點擊LSW的層，可以不斷增加顯示層。 3. 顯示所有的層 點擊LSW的AV按鈕，再按快捷鍵r。 4. 減少顯示層 鼠標(biāo)中鍵點擊LSW中要減少的層符號，再按快捷鍵r。（被減少的顯示層不能為輸入層）。 連續(xù)使用可以不斷減少顯示層。,5.5.2 測量距離或長度 1. 用直尺測量 1）命令windowCreate Rulerk對話框。在測量起點按鼠標(biāo)左鍵，顯

23、示0。移動光標(biāo)至終點按左鍵，測量數(shù)據(jù)在終點上方。,Create Ruler 對話框,2）選命令windowClear All RulerK，消除顯示的全部測量數(shù)據(jù)。 2. 狀態(tài)欄顯示坐標(biāo)及距離,5.5.3 圖形顯示 1. 顯示單元版圖的全貌 命令WindowFit Allf。 2. 返回前面的圖形 命令windowUtilitiesPrevious Vieww。 3. 圖形的放大和縮小 1）命令WindowzoomInz,圖形全屏顯示。 2）命令WindowzoomIn by 2z，圖形放大2倍。 3）命令WindowzoomOut by 2z，圖形縮小1半。 4. 用鼠標(biāo)放大和縮小圖形 1）

24、放大圖形：按右鍵并拖動畫矩形框，框內(nèi)圖形全屏幕顯示。 2）縮小圖形：按shift鍵不放，同時按右鍵并拖動鼠標(biāo)畫任意的矩形，圖形縮小到與矩形同樣大小。 5. 使用鍵盤的光標(biāo)移動鍵 顯示圖形的不同部分，顯示需要編輯的區(qū)域。,5.5.4 選擇目標(biāo) LSW有NS和AS兩個選擇按鈕（版圖層不可選和可選）。,選擇包括全選（full）和部分選（partial）兩種方式，顯示在版圖窗的狀態(tài)欄：,Full方式 Partial方式,用F4鍵切換兩種選擇方式。,1. 圖形可選（即選LSW中的AS）的選擇 (1) 用鼠標(biāo)選擇目標(biāo) 1) 移到光標(biāo)到目標(biāo)圖形上，圖形邊框變?yōu)閯討B(tài)高亮度。 2) 左鍵點擊目標(biāo)，圖形邊框變?yōu)楦?/p>

25、亮度；在全選方式，目標(biāo)邊框全部高亮度。 3) 按快捷鍵d消除選擇，或左鍵在圖形外空白區(qū)點擊一次，圖形去除選擇。 4) 選擇一個目標(biāo)后，再選第二個目標(biāo)，前一個目標(biāo)就不再選中。 5) 增加選擇目標(biāo)，按住shift鍵，并用左鍵點擊新目標(biāo)，可連續(xù)選多個目標(biāo)。 6) 減少選擇目標(biāo)：按住Ctrl鍵，并用左鍵點擊要減去的目標(biāo)。 (2) 使用選擇框選擇目標(biāo) 1)選擇集中的多個目標(biāo)，用鼠標(biāo)左鍵畫矩形框包圍目標(biāo)。 2)被選擇目標(biāo)數(shù)顯示在（F）select：的冒號后。 2. 部分選擇(p) select：0 選擇目標(biāo)的邊、角和整個圖形。 3. 使用LSW設(shè)置層的可選性 1) 點擊LSW的AS按鈕，層符號全部可選（圖

26、a） 2) 點擊NS，層符號全部不可選(層符號的中間和右邊變灰)（圖b) 3) 點擊鼠標(biāo)右鍵使各層在可選和不可選間轉(zhuǎn)換：原為可選，點擊一次變?yōu)椴豢蛇x，再點擊又恢復(fù)為可選 (圖c：右鍵點擊了一個層符號)。 4)原為不可選，右鍵點擊一次變?yōu)榭蛇x，再點擊又恢復(fù)為不可選 (圖d：右鍵點擊了二個層符號）。,(a) (b) (c) (d),5.5.5 改變圖形的層次 三種方法： 1) 消除原圖，在新層重畫相同的圖。 2) 用拷貝實現(xiàn)圖形層次的改變。 3) 用屬性改變圖形所屬的層。 選中圖形，圖形高亮度； 按q鍵：圖形是矩形Edit Rectangle Properties框； 圖形是多邊形Edit polygon Properties框。,要改變層次的圖形為矩形,要改變層次的圖形為多邊形,改變框內(nèi)layer的